(57)【要約】【課題】蒸気タービンエンジン内の水を除去するための改良されたシステムを提供すること。【解決手段】蒸気タービンが、蒸気流路を少なくとも部分的に画成する内側ケーシングと、内側ケーシングを通って延在して、蒸気流路の外に水分流路を少なくとも部分的に画成する通路と、通路と動作可能に接続したシールとを含む。シールは、蒸気流路内の第１の運転状態の組に関連する第１の位置及び蒸気流路内の第２の運転状態の組に関連する第２の位置を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンの蒸気流路から水分を除去するシステムを含む蒸気タービンであって、
（ａ）蒸気流路を少なくとも部分的に画成する内側ケーシングと、
（ｂ）内側ケーシングを通って延在して、蒸気流路の外に水分流路を少なくとも部分的に画成する通路と、
（ｃ）通路と動作可能に接続したシールであって、蒸気流路内の第１の運転状態の組に関連する第１の位置及び蒸気流路内の第２の運転状態の組に関連する第２の位置を有するシールと
を備える蒸気タービン。
【請求項２】
第１の運転状態の組及び第２の運転状態の組が、温度、圧力、水分レベル又は水分流速の少なくとも１つを含む、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項３】
前記シールが温度作動弁を含む、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項４】
前記シールがバイメタルアクチュエータを含む、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項５】
前記シールが液体充填ベローズを含む、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項６】
前記シールを作動させる所定の温度閾値をさらに含んでなる、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項７】
前記シールが圧力作動弁を含む、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項８】
前記圧力作動弁が、増加又は減少する所定の圧力差閾値で駆動する、請求項７記載の蒸気タービン。
【請求項９】
前記シールが可変クリアランス圧力パッキンを含む、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項１０】
前記シールが電気機械式弁を含む、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項１１】
制御装置と通信可能に結合した１つ以上のセンサをさらに含み、制御装置がシールと通信可能に結合している、請求項１０記載の蒸気タービン。
【請求項１２】
蒸気タービンの蒸気流路内の運転状態に基づいて蒸気流路から水分を除去する方法であって、
（ａ）蒸気流路内の第１の運転状態の組が存在する場合、蒸気タービンの内側ケーシングを通って画成される通路を通る蒸気流路から水分を流し、
（ｂ）第２の運転状態の組が存在する場合、シールを作動させて、蒸気流路からの水分流を減少させる
ことを含む方法。
【請求項１３】
前記シール内に弁を配置して、蒸気流路からの水分流を減少させることをさらに含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記シールを作動させて、蒸気流路からの水分流を停止することをさらに含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
（ａ）蒸気流路を少なくとも部分的に画成する内側ケーシングと、
（ｂ）内側ケーシングを通って延在して、蒸気流路の外に水分流路を少なくとも部分的に画成する通路と、
（ｃ）蒸気流路からの水分流を減少させる手段と
を備える蒸気タービン。
【請求項１６】
前記手段が温度作動弁を含む、請求項１５記載の蒸気タービン。
【請求項１７】
前記手段がバイメタルアクチュエータ又は液体充填ベローズの少なくとも１つを含む、請求項１５記載の蒸気タービン。
【請求項１８】
前記手段が圧力作動弁を含む、請求項１５記載の蒸気タービン。
【請求項１９】
前記手段が時間作動シールを含む、請求項１５記載の蒸気タービン。
【請求項２０】
前記手段に通信可能に結合される１つ以上のセンサをさらに含み、１つ以上のセンサが、蒸気流路内の第１の運転状態又は第２の運転状態の少なくとも１つを感知するように構成される、請求項１５記載の蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、蒸気タービン及び蒸気タービンの作動方法に関する。具体的には、本発明は、蒸気流路から水分を除去するシステム及び方法を含む。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンの蒸気流路は、一般に、固定ケーシングとロータとで形成される。この構成では、多数の静翼が周方向の列としてケーシングに取り付けられ、内側に向かって蒸気流路内に延在する。同様に、多数の動翼が周方向の列としてロータに取り付けられ、外側に向かって蒸気流路内に延在する。静翼と動翼は交互の列として配置され、静翼列とそのすぐ下流の動翼列はタービンの段落を形成する。静翼は、蒸気流が正しい角度で下流の動翼列に入るように、蒸気流を案内する働きをする。蒸気は、動翼に運動エネルギーを与えて、ロータを回転させ、タービン及び／又はロータに取り付けられた発電機などの任意の他の負荷を駆動する機械的仕事を生成する。
【０００３】
始動又は停止など、蒸気タービンの特定の運転状態の際に、蒸気は、ケーシング、静翼及び／又は動翼上に凝縮し、したがって蒸気流路内に水滴を形成することがある。蒸気流路を通って移動する水滴は、少なくとも２つの重大な問題を引き起こす。第１に、蒸気流路内の水滴の存在は段効率を低下させる。第２に、そのような水分は、静翼及び／又は動翼が早期に腐食する原因になる。蒸気流路から水分を除去するための多くの方法が存在する。例えば、特定の方法は、蒸気タービンのケーシング内に排出オリフィスを設けて、水分を蒸気流路から排出することを可能にすることを含む。一般には効果的であるが、排出オリフィスは蒸気タービンの定常状態運転中に開いたままになり、それによって、蒸気が逃げる漏出通路をもたらす。定常状態運転中に蒸気が逃げることにより、タービンの効率が低下し、作動費用が増すことになる。したがって、蒸気タービンエンジン内の水を除去するための改良されたシステムの必要性が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３２９８５３号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の態様及び利点が、以下の記載で次に説明され又はその説明から明らかになる可能性があり又は本発明の実施によって習得可能である。
【０００６】
本発明の一実施形態は、蒸気タービンの蒸気流路から水分を除去するシステムを含む蒸気タービンである。蒸気タービンが、蒸気流路を少なくとも部分的に画成する内側ケーシングと、内側ケーシングを通って延在して、蒸気流路の外に水分流路を少なくとも部分的に画成する通路と、通路と動作可能に接続したシールとを含む。シールは、蒸気流路内の第１の運転状態の組に関連する第１の位置及び蒸気流路内の第２の運転状態の組に関連する第２の位置を有する。
【０００７】
本発明の別の実施形態は、蒸気タービンの蒸気流路内の運転状態に基づいて、蒸気流路から水分を除去する方法である。その方法は、蒸気流路内の第１の運転状態の組が存在する場合、蒸気タービンの内側ケーシングを通って画成される通路を通る蒸気流路から水分を流し、第２の運転状態の組が存在する場合、シールを作動して、蒸気流路からの水分流を減少させることを含む。
【０００８】
本発明は、また、蒸気流路を少なくとも部分的に画成する内側ケーシングと、内側ケーシングを通って延在して、蒸気流路の外に水分流路を少なくとも部分的に画成する通路と、蒸気流路からの水分流を減少させる手段とを含む蒸気タービンも含むことができる。
【０００９】
当業者なら、本明細書を検討すれば、そのような実施形態、並びにその他の実施形態の特徴及び態様をより良く理解するであろう。
【００１０】
当業者にとって最良の形態を含む、本発明の完全で実施可能な開示を、添付の図面への参照を含めて、本明細書の残りの部分により具体的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態による蒸気タービンの断面図である。
【図２】図１に示す蒸気タービンの拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の本実施形態に対して詳細に参照することになるが、その実施形態の１つ以上の実施例が添付の図面に図示される。詳細な説明は、図面の中の特徴を参照するために数字及び文字の符号を使用する。図面及び説明の中の同様又は類似の符号は、本発明の同様又は類似の部品を参照するために使用される。本明細書で使用される「第１の」、「第２の」及び「第３の」という用語は、１つの構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置又は重要性を示すと意図するものではない。加えて、「上流」及び「下流」という用語は、流体通路内の構成要素の相対的な位置を指す。例えば、流体が構成要素Ａから構成要素Ｂに流れる場合、構成要素Ａは構成要素Ｂから上流にある。逆に、構成要素Ｂが構成要素Ａから流体流を受ける場合、構成要素Ｂは構成要素Ａから下流にある。
【００１３】
各実施例は本発明を説明する目的で提供されるのであり、本発明を限定するものではない。実際、当業者にとって、修正形態及び変形形態が、本発明の範囲又は趣旨とは異ならずに、本発明の中で作製可能であることは明白であろう。例えば、一実施形態の部分として図示し、説明する特徴は、別の実施形態で使用されて、やはり別の実施形態をもたらすことができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内にあるような修正形態及び変形形態を包含すると意図するものである。
【００１４】
本発明の様々な実施形態は、蒸気タービン内に画成された蒸気流路から水分を除去するシステム及び方法を含む蒸気タービンを提供する。蒸気流路から水分を除去するための通路が、ロータシャフト並びに静翼及び動翼の交互の段を少なくとも部分的に囲繞する内側ケーシングを通って画成し得る。通路にシールを動作可能に接続し得る。シールは、蒸気流路内の第１の運転状態の組に関連する第１の位置及び蒸気流路内の第２の運転状態の組に関連する第２の位置を有する。例えば、シールは、第１の運転状態の組が蒸気流路内に存在する場合に開き、第２の運転状態の組が蒸気流路内に存在する場合に閉じるように構成し得る。特定の実施形態では、シールは、温度作動弁及び／又は圧力作動弁を含むことがある。別の実施形態では、シールは、温度、圧力又は流速を含む１つ以上の運転状態に基づいて、作動するように構成される電気機械式弁を含むことがある。運転中、蒸気が入口を通って供給され、蒸気流路内に、静翼及び動翼の交互の段を跨いで流れ込む。始動又は停止など、特定の運転状態の際に、蒸気は、ケーシング、静翼及び／又は動翼上に凝縮し、それによって、蒸気流路内に水滴を生成することがある。水滴は、蒸気流路から通路を通って流れることがある。蒸気タービンが、蒸気流路内の第２の運転状態の組に到達すると、シールが作動して流路を閉じ、蒸気流路から流れる水分及び／又は蒸気流路からの蒸気の漏れを減少させることができる。このようにして、タービン効率が向上し、静翼及び動翼の摩耗の減少が可能になる。本発明の例示的な実施形態は、図示の目的のために、全体的に産業用蒸気タービンの蒸気流路に照らして説明するが、本発明の実施形態は、任意の蒸気タービンに応用可能であり、特許請求の範囲に具体的に列挙しない限り、産業用蒸気タービンに限定するものではないことが当業者ならすぐに理解されよう。
【００１５】
図１は、蒸気タービン１０の部分切欠き斜視図である。蒸気タービン１０は、複数の軸方向に離隔したロータホイール１４を含むロータシャフト１２を含む。複数の動翼１６は、各ロータホイール１４に機械的に結合される。より具体的には、動翼１６は、各ロータホイール１４の周りに周方向に延在する列に配置される。複数の静翼１８は、ロータシャフト１２の周りに周方向に延在し、動翼１６の隣接する列の間に軸方向に配置される。静翼１８は動翼１６と協働して、タービンの段を形成する。内側ケーシング２０は少なくとも部分的にロータシャフト１２、動翼１６及び静翼１８を囲繞して、少なくとも部分的にタービン１０を通る蒸気流路を画成する。
【００１６】
運転中、蒸気２２はタービン１０の入口２４に入り、蒸気流路を通って流れる。静翼１８は、蒸気２２を動翼１６に対して下流に向ける。蒸気２２は残りの段を通過して、動翼１６に力を与え、ロータシャフト１２を回転させる。タービン１０の少なくとも一方の端部が、ロータシャフト１２から離れて軸方向に延在していてもよく、発電機及び／又は別のタービンなどの負荷又は機械類（図示せず）に取り付け可能であるが、それらに限定されない。したがって、大きな蒸気タービンユニットが、実際には、すべて同軸に共通のシャフトに結合される複数のタービンを含むことができる。そのようなユニットは、例えば、中圧タービンに結合される高圧タービンを含むことができ、中圧タービンは低圧タービンに結合される。
【００１７】
図２は、本発明の一実施形態による、図１に示す蒸気タービン１０の拡大断面図を示す。図１及び図２に示すように、蒸気タービン１０は、蒸気タービン１０の蒸気流路から水分を除去するシステム３０を含むことができる。図２に示すように、システム３０は、内側ケーシング２０を通って延在する１つ以上の通路３２と、通路３２を封止するように配置される１つ以上のシール３６とを一般に含むことができる。通路３２は、内側ケーシング２０を通る１つ以上の水分流路３４を少なくとも部分的に画成することができ、それによって、水分が通路３２を通って、蒸気流路から離れて流れることが可能になる。通路３２は、円錐体、楕円形、円形、スコップ型、スロット型、隆起型及び／又は任意の他の形状であってよく、その形状は、水分が通路３２の方へ流れ及び／又は通路３２を通って流れることを可能にする。特定の実施形態では、通路３２は、内側ケーシング２０の底部に沿った１つ以上の位置、並びに／或いは蒸気流路に沿った１つ以上の位置の内側ケーシング２０の半径方向の周りに配置可能である。特定の実施形態では、通路３２は、静翼１８及び／又は動翼１６に半径方向に位置合わせし得る。加えて又は別法として、通路３２は、水分が蒸気流路内に集まることがある、内側ケーシング２０内の任意の場所に配置可能である。
【００１８】
本発明の様々な実施形態は、蒸気流路からの水分流を減少させる手段を含む。本明細書で使用される「蒸気流路からの水分流を減少させる」機能は、蒸気流路から流れる水滴又は凝縮液などの水分、並びに／或いは蒸気流路からの蒸気流の漏れを減少させることを含む。「蒸気流路からの水分流を減少させる」ための構造は、１つ以上のシール３６を含む。シール３６は、動作可能に通路３２に接続可能である。例えば、特定の実施形態では、シール３６は、通路内に差込み又は圧入可能である。別の実施形態では、シール３６及び通路３２は、相補的にねじ切りされて、シール３６が通路３２内に螺入可能になることがある。加えて、別法として、シール３６は、内側ケーシング２０の内側面４０及び／又は外側面４２に機械的に結合し得る。例えば、シール３６は、スロット内部又は溝内部の蝶番によって、溶接によって、並びに／或いはろう付けによって内側ケーシング２０に結合し得る。シール３６は、様々な運転状態が蒸気流路内に生じると、開放位置及び／又は閉鎖位置の間を移行するように構成し得る。本明細書で使用される「運転状態」という用語は、蒸気温度、蒸気圧、蒸気含水量、蒸気通路含水量、蒸気通路流速又はタービン金属温度の少なくとも１つを含むことができるが、それらに限定されない。シール３６は、通路３２を封止するように構成し得る当分野で周知の任意のシールを含むことができる。少なくとも１つの実施形態では、シール３６は、１つ以上の弁を含むことができる。特定の実施形態によると、シール３６は、温度作動弁、バイメタルアクチュエータ、液体充填ベローズ、圧力作動弁、可変クリアランス圧力作動シール、圧力作動シール又は電気機械式弁の少なくとも１つを含むことができる。
【００１９】
一般に、シール３６は、蒸気流路内の第１の運転状態の組に関連する第１の位置及び蒸気流路内の第２の運転状態の組に関連する第２の位置を含む。第１の運転状態の組及び第２の運転状態の組は、上記に開示される１つ以上の運転状態を含むことができる。特定の実施形態では、第１の位置は、シール３６が完全に開放され、それによって、水分が通路を通って、蒸気流路から離れて流れることを可能にする例に対応することができる。例えば、第１の位置及び第１の運転状態の組は、蒸気タービン１０の始動中に生じることがある。始動中、蒸気流路内の圧力は、入口を通って流れる蒸気圧よりも低いことがある。加えて、ロータシャフト１２、動翼１６及び／又は静翼１８の温度は、蒸気の温度よりも低いことがある。蒸気がより低温の面上に凝縮することがあり、したがって、蒸気流路内に水滴を形成する。したがって、第１の位置が、完全な開放位置にあるシール３６に対応する場合、水分は蒸気通路から通路３４を通って、蒸気流路から離れて流れることができる。静翼及び／又は動翼の腐食の可能性が著しく低減し得る。別の実施形態では、シール３６は、第１の運転状態の組が、停止しようとしている蒸気タービン１０に対応する場合、第１の位置に作動することができる。例えば、蒸気タービン１０が停止すると、蒸気流路に入る蒸気の質量流量は急速に減少し又は停止し、それによって、圧力の急速な低下及び蒸気通路内の水滴の形成をもたらすことになる。
【００２０】
一般に、シール３６は、第２の位置を含む。例えば、特定の実施形態では、第２の位置は、少なくとも部分的に及び／又は完全に閉鎖された位置のシール３６に対応することができ、第２の運転状態の組が蒸気流路内に存在する場合、シール３６によって、水分が流れることを減少させ及び／又は防止し、並びに／或いは蒸気流路からの蒸気が通路３２を通って漏れることを減少させ及び／又は防止する。第２の運転状態の組は、上記に定義する１つ以上の運転状態を含むことができる。特定の実施形態では、第２の運転状態の組は、蒸気タービン１０が定常状態で運転している場合の例に対応することができる。一般に、蒸気流路内の温度及び圧力、並びに／或いは蒸気流路を通って流れる蒸気の質量流量が正常化されてしまい、蒸気流路内の水分の形成が最小である場合に、定常状態運転が発生する。別の実施形態では、シール３６は、所定の温度及び／又は圧力閾値に到達した後、第１の位置から第２の位置に又は第２の位置から第１の位置に作動し得る。別の実施形態では、シール３６は、特定の時間が経過した後に第１の位置又は第２の位置に作動し得る。例えば、蒸気タービン１０が３０分間定常状態で稼動した後、シール３６を第２の位置に作動させてもよい。
【００２１】
別の実施形態では、蒸気タービン１０は、蒸気流路内に配置され、制御装置５２に通信可能に結合される１つ以上のセンサ５０もまた含むことができる。特定の実施形態では、センサ５０をシール３６に通信可能に結合することができる。センサ５０は、少なくとも１つの運転状態を感知し、感知した運転状態を制御装置５２に伝達するように構成し得る。制御装置５２は、出力信号をシール３６に提供して、シール３６を第１の位置と第２の位置との間で作動するように構成し得る。制御装置５２は、感知した運転状態に基づいて、シール３６を自動的に作動させるように構成し得る。加えて又は別法として、制御装置５２は、蒸気流路内の特定の運転状態を作業者に警告して、作業者が手動でシール３６を作動させることができるように構成し得る。
【００２２】
本開示の様々な実施形態が、蒸気タービン１０の蒸気流路内の運転状態に基づいて、蒸気流路から水分を除去する方法を提供することができる。その方法は、蒸気流路内に第１の運転状態の組が存在する場合、蒸気タービン１０の内側ケーシング２０を通って画成される通路３２を通る蒸気流路から水分を流し、第２の運転状態の組が存在する場合、シール３６を作動させて蒸気流路からの水分流を減少させることを含む。その方法は、シール３６内に弁を配置して、蒸気流路からの水分流を減少させることをさらに含むことができる。その方法は、また、シールを作動させて、蒸気流路からの水分流を停止することを含むことができる。
【００２３】
図２に関連して図示し、説明した様々な実施形態は、１つ以上の技術的な利点を提供して、蒸気タービン１０の作動を向上させる。例えば、通路３２は、蒸気流路内の特定の運転状態中に形成される水分が、蒸気流路から離れて流れることを可能にして、それによって、静翼及び／又は動翼の腐食の可能性を減少させる。シール３６は、一旦、蒸気流路が、定常状態運転で生じるような、所定の運転状態の組に到達すると、水分及び／又は蒸気が通路を通って流れることを減少させ又は防止することができる。このようにして、より多くの蒸気が、蒸気流路を通って、動翼及び回転シャフトに運動エネルギーを与えるように案内されて、タービン効率を向上させることができる。
【００２４】
ここに記載する説明は、最良の形態を含む、本発明を開示するための例を使用し、また、当業者が、任意の装置又はシステムを作製し、使用し及び組み込まれた方法を実施することを含む、本発明を実施することを可能にするための例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い当たる他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言とは異ならない構造的要素を含む場合又はそれらが特許請求の範囲の文言とわずかにしか異ならない均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあると意図するものである。
【符号の説明】
【００２５】
１０  蒸気タービン
１２  ロータシャフト
１４  ロータホイール
１６  動翼
１８  静翼
２０  内側ケーシング
２２  蒸気
２４  入口
３０  システム
３２  通路
３４  水分流路
３６  シール
４０  内側面
４２  外側面
５０  センサ
５２  制御装置
【図１】
2013189978.tif 000003
【図２】
2013189978.tif 000004